Solucions estructurals mitjançant fabricació additiva

La cada cop més evident escassetat de recursos i la necessària consciència per a la sostenibilitat fan indispensable afrontar el repte de fer un millor ús dels materials i optimitzar els processos de fabricació.

En aquest marc, investigadors del Departament d’Enginyeria Industrial d’IQS School of Engineering han dut a terme el projecte New Developments in Lightweight Composite Sandwich Panels with 3D Printed Cores (3DPC, inclòs en el Programa Estatal de I+D+i orientat als reptes de la Societat del Pla Estatal d’Investigació Científica, Tècnica i d’Innovació 2017-2020, dins del Repte “Transport sostenible, intel·ligent, connectat i integrat”.

Molts dels reptes de l’enginyeria del present i del futur demanen alleugerir les estructures, és a dir, crear estructures més resistents fent un ús més eficient dels materials. No només això, sinó també millorar i desenvolupar nous processos de fabricació que permetin fer-ho d’una forma més sostenible. Per tal d’aconseguir-ho, 3DPC s’ha focalitzat en l’observació d’estructures de la natura que han evolucionat durant mil·lennis, fins al punt d’aconseguir un grau d’optimització molt elevat i que, ara, es caracteritzen per la seva rigidesa, resistència, lleugeresa i l’aprofitament del material, però també per la seva extraordinària complexitat geomètrica.

Noves estructures desenvolupades amb impressió 3D

A causa de la seva complexitat geomètrica, resulta inviable replicar aquestes formes mitjançant processos de fabricació convencionals. No obstant això, aprofitant els darrers avanços i el potencial de les tecnologies de fabricació additiva, els investigadors d’IQS han pogut reproduir un ampli ventall de formes naturals i desenvolupar nous dissenys bio-inspirats que, implementats com a nucli en estructures sandvitx híbrides, permetin obtenir solucions estructurals funcionals més lleugeres, sostenibles i eficients.

Concretament, es van dissenyar un total de 48 geometries cel·lulars periòdiques de tipus bidimensional i tridimensional, combinant diferents dissenys, disposicions de cel·la i densitats, analitzant paral·lelament i mitjançant softwares de simulació numèrica les seves capacitats mecàniques i així valorar la seva funcionalitat estructural.

El material escollit per fabricar els nuclis ha estat una polietirimida – Ultem 9085 – d’altes prestacions. A més d’oferir una excel·lent relació resistència/pes, aquest material termoplàstic que es pot processar per impressió 3D compta amb certificació FST (de les sigles en anglès Flame, Smoke and Toxicity), que garanteix que, en cas d’incendi, s’autoextingeix i els fums produïts no són tòxics.

Un cop analitzats els nuclis cel·lulars, aquests es van combinar amb pells de polímer reforçat amb fibres de carboni (CFRP) per tal de conformar les estructures sandvitx híbrides lleugeres. Aquesta disposició permet aprofitar la baixa densitat i gruix del nucli cel·lular per incrementar la inèrcia de la secció de l’estructura híbrida i així maximitzar les seves prestacions mecàniques, sense representar un increment de massa significatiu.

Els excel·lents resultats obtinguts en el projecte 3DPC obren ara la porta a la utilització de nous materials – en aquest cas, metàl·lics – per poder reproduir les geometries aconseguides en aquest projecte i obtenir estructures amb encara més prestacions i augmentar el ventall de possibles aplicacions.

Publicacions relacionades

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; Mechanical study on the impact of an effective solvent support-removal methodology for FDM Ultem 9085 parts Polymer Testing, 85, May 2020, 106433

Albert Forés Garriga, Marco A. Pérez, Giovanni Gómez Gras, Guillermo Reyes Pozo; Role of infill parameters on the mechanical performance and weight reduction of PEI Ultem processed by FFF , Materials & Design, 193, August 2020, 108810

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; On the effect upon the surface finish and mechanical performance of ball burnishing process on fused filament fabricated parts , Additive Manufacturing, 46, October 2021, 102133

Albert Forés Garriga, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; Mechanical performance of additively manufactured lightweight cellular solids: Influence of cell pattern and relative density on the printing time and compression behavior, Materials & Design, 215, March 2022, 110474

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; Selective dissolution of polysulfone support material of fused filament fabricated Ultem 9085 parts, Polymer Testing, 108, April 2022, 107495

Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez Gras, Marco A. Pérez; Thermal annealing as a post-process for additively manufactured Ultem 9085 parts, Procedia Computer Science, 200, 2022, Pages 1308-1317